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岩石热破裂将减弱岩体强度,威胁地下工程的稳定性,破裂的发展将引起工程安全和破坏环境问题。然而,目前国际上对岩石热破裂原位研究还很少。本论文以岩石热物理学、岩石力学,弹塑性力学,断裂力学为基础,研究在约束应力下岩石的受热—非均匀膨胀/膨胀各向异性—热应力—破裂的过程,进而探求岩石原位热破裂的机理,力求为工程提供理论依据。在能量守恒定律、增量理论的基础上,考虑岩石的热物理参数随温度变化的性质,将高温环境下的岩石看作是非线性的热弹塑性介质,建立岩石的热—固耦合数学模型。采用ANSYS有限元软件对煤炭地下气化工程中顶底板岩石受动态热源加热下的热应力场进行数值模拟计算,并将数值计算结果与重庆中梁山进行的原位微地震监测结果进行对比分析。
经过模拟计算可知,动态热源加热下的岩石破裂与火焰工作面的移动密切相关,在火焰工作面附近的区域是易发生破裂的区域。气化工程中,在煤层燃烧初始阶段,点火点附近顶底板岩层是易发生热破裂的区域;随着煤层的不断燃烧,在紧靠燃空区的顶底板岩层受到拉应力的作用,在燃空区的两侧拉、压应力交界处会导致剪应力的产生,这些区域都是易破坏的区域。原位试验监测到频率在150—300Hz之间的高频信号和频率在50—100Hz的低频信号,监测结果证明了数值模拟的推断。